Autor: Dr. Ing. Matthias Ortmann, ingeniero jefe de Toshiba Electronics Europe GmbH
Muchas industrias buscan un cambio radical en la densidad de potencia para ofrecer mayores niveles de energía a partir de encapsulados más pequeños. Por ejemplo, los servidores de inteligencia artificial (IA) requieren rendimiento tanto de las unidades de procesamiento gráfico (GPU) como de las unidades de procesamiento neuronal (NPU) para dar soporte a modelos de lenguaje altamente complejos y sistemas de IA agentiva. El sector de las telecomunicaciones busca soluciones más eficientes para satisfacer las necesidades de alimentación cada vez más complejas de las estaciones base de telefonía móvil. Y ser capaz de suministrar varios kilovatios de potencia desde una fuente de CA a un cargador rápido se está convirtiendo en un requisito clave en el campo de la movilidad.
Si bien la topología de los circuitos y la tecnología de los componentes han aumentado los vatios por centímetro cúbico, las mejoras adicionales exigen que los fabricantes examinen nuevas opciones de diseño mecánico. Los convertidores de potencia de mayor densidad requieren enfoques de diseño innovadores que vayan más allá de las mejoras en el rendimiento de los dispositivos individuales. Los cambios tecnológicos permiten modificar las topologías, lo que significa que es esencial combinar los avances en topología, dispositivos y diseño mecánico.
El valor de los diseños de referencia
Los diseños de referencia desarrollados por los fabricantes de semiconductores proporcionan a los clientes información valiosa sobre opciones de diseño innovadoras. Ilustran cómo la selección de componentes puede abrir posibilidades inexploradas sin que los clientes tengan que embarcarse en extensos programas de prototipado.
Por ejemplo, la conversión sin puente utiliza menos componentes con PFC al eliminar el circuito rectificador en el puente de los diseños más antiguos. La migración al carburo de silicio (SiC) contribuye a ello al permitir una conmutación más rápida y reducir las pérdidas en comparación con los MOSFET de silicio. El carburo de silicio permite opciones de encapsulado alternativas, incluidas las de montaje en superficie, debido a su mayor eficiencia y rendimiento térmico.
Otro ejemplo es un convertidor CA/CC aislado de 3 kW que combina un PFC “semi” sin puente en la etapa de entrada con una arquitectura PSFB – phase-shifted full-bridge (de puente completo con desplazamiento de fase) en la salida para admitir una mayor densidad de potencia. El diseño de este convertidor se basa en una arquitectura existente de 1,6 kW y utiliza un enfoque de encapsulado de montaje en superficie, posible gracias a los semiconductores de banda ancha, junto con cambios en el diseño de la placa de circuito impreso, para casi duplicar la potencia de salida con solo un pequeño aumento del volumen total.
Superar las limitaciones del diseño planar
Con frecuencia, los diseños de convertidores de potencia asumen un diseño 2D, con los componentes dispuestos en una única placa de circuito impreso (PCB). Los componentes pasivos de gran tamaño, como los condensadores y los transformadores, determinan la altura del subsistema en su conjunto. Los mazos cableados para diseños de productos con un disipador térmico vertical ofrecen un buen equilibrio entre rendimiento térmico y tamaño de la huella. La lengüeta metálica expuesta proporciona una ruta de baja resistencia térmica desde el chip hasta el disipador térmico.
En el caso de un diseño plano rodeado de componentes pasivos de gran altura, este tipo de encapsulado es una buena opción, ya que el disipador térmico vertical permite reducir el espacio ocupado por la placa de circuito impreso. Sin embargo, limita las opciones de diseño mecánico para mejorar la densidad. Se podría separar el convertidor en submódulos montados en placas secundarias, pero esto impone restricciones en cuanto a la altura de los componentes. Es fundamental espaciar adecuadamente las placas secundarias para dar cabida a los dispositivos de potencia y sus disipadores térmicos. Si las estructuras son demasiado altas, la ventaja de las placas secundarias verticales desaparece, ya que aumenta el espacio horizontal entre placas.
Una vez separadas en placas secundarias, los encapsulados de perfil bajo permiten implementaciones de orientación vertical para reducir el espacio ocupado en la PCB principal. Las placas secundarias compactas no necesitan ser mucho más altas que los condensadores y otros componentes pasivos más grandes de la placa principal; si se disponen de forma similar a los disipadores térmicos, se mejora la disipación del calor. Un diseño térmico adecuado garantiza que la refrigeración por aire forzado de un único ventilador pueda pasar por ambas superficies de cada subplaca.
Con los dispositivos de silicio convencionales, los diseños podrían necesitar utilizar encapsulados que supongan un gasto de espacio. El SiC ofrece un mejor comportamiento térmico y una mayor eficiencia, lo que permite explorar nuevas opciones de encapsulado para dispositivos de conmutación de alta potencia. Esa alta eficiencia, junto con la capacidad del SiC para funcionar a altas temperaturas de unión, permite el uso de encapsulados de montaje en superficie, lo que abre nuevas posibilidades en el diseño 3D de convertidores de potencia. El uso de opciones de encapsulado de montaje en superficie permite que las placas pequeñas se sitúen más cerca unas de otras, con una densidad práctica determinada por consideraciones térmicas.
Elección de la topología del circuito
Para los diseños concebidos para mostrar las ventajas de los dispositivos de conmutación compactos en placas secundarias, se consideraron varias opciones de topología de circuito para los elementos de conversión PFC y CA/CC. Los diseños totalmente sin puente reducen el número total de componentes discretos al eliminar los diodos frontales de un puente rectificador, pero una topología “semi” sin puente ofrecía el mejor equilibrio entre densidad y funcionalidad.
Una topología dual-boost y “semi” sin puente utiliza varios diodos adicionales, de Daaa Ddden la Figura 2, para reducir los problemas de ruido y corriente de arranque (inrush). Sin embargo, los diodos se colocan de manera que Dccy Dddno influyan en el comportamiento del circuito tras el arranque.
Figura 2. Funcionamiento del circuito PFC “semi” sini puente
Una etapa PFC desarrollada por los ingenieros de Toshiba utiliza dos dispositivos SiC clave: el MOSFET de modo de enriquecimiento TW092V65C de 650 V y el diodo de barrera Schottky TRS12V65H, ambos en encapsulados DFN8x8 compactos con almohadillas térmicas en la parte inferior para mejorar el rendimiento térmico. El MOSFET presenta una resistencia en estado activo <100 mΩ e integra un diodo Schottky en el chip, lo que reduce la generación de defectos cristalinos durante el funcionamiento en inverso.
Figura 3. Encapsulado DFN8x8 que muestra la almohadilla térmica
La salida del PFC alimenta un convertidor de puente completo con desplazamiento de fase (PSFB) que reduce la tensión a 50 V mediante un transformador y una etapa de filtrado. El PSFB emplea cuatro MOSFET del lado primario con diodos Schottky antiparalelos, lo que permite la conmutación a tensión cero (ZVS – Zero Voltage Switching) para minimizar las pérdidas a alta potencia. Esta etapa utiliza el MOSFET de SiC TW027U65C en un encapsulado TOLL con una lengüeta metálica para una disipación eficiente del calor.
Los dispositivos de conmutación de alta frecuencia en las etapas PFC y PSFB requieren el mayor rendimiento térmico debido a las exigencias de tensión y conmutación. Estos componentes pueden colocarse en placas secundarias dedicadas, mientras que los elementos pasivos más grandes, como los transformadores y los inductores, permanecen en la placa principal. Esta división mejora la flexibilidad del diseño sin sacrificar la eficiencia, ya que las conexiones soldadas de baja resistencia mantienen una alta conductividad.
Figura 4. Diseño de la unidad de alimentación que muestra las secciones PFC y PSFB
Los avances en la tecnología SiC permiten aumentar la potencia de salida de 1,6 kW a aproximadamente 3 kW. A pesar de requerir condensadores más grandes, un diseño de placas múltiples mejora la densidad de potencia en un 34 %.
Optimización térmica
El comportamiento térmico se convierte en una preocupación con un aumento tan grande de la densidad de potencia. Un flujo de calor insuficiente desde los circuitos de conmutación comprometerá el rendimiento. Aunque la conductividad térmica de los encapsulados DFN y TOLL a través de la superficie inferior es relativamente alta, el diseño térmico requirió una optimización adicional para aprovechar al máximo las ventajas de la novedosa división y disposición.
Figura 5. Diseño de la primera iteración de la placa secundaria PFC y su análisis térmico.
La evaluación del primer prototipo mostró la formación de puntos calientes alrededor de dos semiconductores de potencia en la placa secundaria de PFC. El ciclo térmico (ΔTc) causado por la actividad de conmutación podría alcanzar hasta tres veces el criterio interno de 60 °C si no se abordaba. La potencia de salida tendría que limitarse a 1,4 kW.
Para aumentar la potencia de salida al máximo, es necesario mejorar el rendimiento térmico. Es posible mejorar la disipación del calor hacia el disipador térmico montado en la parte posterior de cada placa secundaria añadiendo vías bajo las almohadillas térmicas de los encapsulados. Además, las simulaciones mostraron que rellenar estas vías aumentaría significativamente la conductividad térmica, reduciendo el ΔTc medido de los dispositivos más calientes en más de un 50 %.
Cambiar el material de relleno dentro de las vías por uno que sea eléctricamente conductor mejoró aún más la conductividad térmica. Al reubicar dos pequeños transformadores en la parte frontal de la placa secundaria, fue posible sustituir dos disipadores de calor separados por uno solo más grande. Junto con un aumento del grosor de la placa, este cambio redujo el valor de ΔTc muy por debajo de los 60 °C críticos. Pero, aunque las pruebas físicas demostraron que el diseño revisado podía soportar fácilmente una potencia de salida de hasta 3,1 kW, las imágenes térmicas mostraron que uno de los MOSFET de la placa secundaria de PFC estaba significativamente más caliente. Por lo tanto, era necesaria una mayor optimización del diseño térmico.
Figura 6. El uso de tres puntos de fijación con tornillos para sujetar el disipador térmico a la placa secundaria de PFC provocó una mala transferencia de calor desde uno de los transistores de potencia clave
Resultó que una conexión por engaste en el disipador térmico, fijada en tres puntos mediante tornillos, no se acoplaba bien a la parte posterior de la placa de circuito impreso, por lo que el espacio situado debajo del transistor se calentaba en exceso. Sin embargo, una pequeña revisión del diseño que introdujo dos puntos de conexión a lo largo de una diagonal solucionó la alineación. Debido a esto, el equipo optó por un diseño de cuatro tornillos para cerrar las esquinas del disipador térmico y garantizar una alta compresión general durante el funcionamiento. Esto redujo el ΔTc por debajo de los 50 °C para todos los semiconductores de potencia de la placa secundaria PFC.
Figura 7. la imagen térmica de la interacción final resuelve el problema, mostrando un ΔTc bien dentro de los límites de diseño.
Obtención de una mejor densidad de potencia
El ajuste del encapsulado, la optimización de la topología de los circuitos, el diseño y la ingeniería térmica —todo ello respaldado por la optimización basada en la simulación— condujeron a una mejor comprensión de cómo obtener mayores niveles de energía a partir de encapsulados más pequeños. Esto también demostró que es posible satisfacer las crecientes demandas de potencia de muchas industrias, aumentando la densidad de potencia de un diseño en más de un 30 %. Este proceso sentó las bases para un convertidor de potencia capaz de soportar 3 kW en un volumen de 2400 cm³, alcanzando una densidad de potencia de 1,25 W/cm³.
Este proceso también puso de relieve la importancia de los diseños de referencia, que pueden demostrar la rapidez con la que un cliente puede adaptarse a técnicas novedosas para optimizar sus propios subsistemas de potencia en cuanto a capacidad y eficiencia. Con cambios relativamente menores en las topologías y la selección de componentes, un diseñador puede hacer posible el desarrollo de convertidores de potencia para una amplia gama de mercados, desde las telecomunicaciones hasta la movilidad eléctrica. En definitiva, se trata de una excelente demostración del potencial combinado del SiC y la innovación en el encapsulado.
Se puede encontrar documentación detallada sobre este y otros diseños de referencia de Toshiba en el Centro de Diseños de Referencia de Toshiba.
